Плазменный ускоритель использовали в лазере на свободных электронах

Лазеры в науке Комментарии к записи Плазменный ускоритель использовали в лазере на свободных электронах отключены

Китайские физики использовали плазму в качестве ускорительной части лазера на свободных электронах. На созданной установке ученые научились получать мощные и короткие пучки когерентного рентгеновского излучения. Такой результат подтверждает, что плазменные ускорители можно использовать для создания компактных лазеров на свободных электронах. По мнению авторов статьи, опубликованной в Nature, это позволит расширить область применения лазеров на свободных электронах, которые пока что создают только на основе громадных и дорогих радиочастотных ускорителей.

Поперечный профиль пучка электронов на выходе из ондулятора Wentao Wang et al. / Nature, 2021

Масштаб предметов и временных отрезков, за которыми в состоянии наблюдать человек, определяется длиной волны и длительностью направленного на объект пучка излучения. Это обусловлено тем, что любая волна (а на самом деле — и частица) не может быть использована для наблюдения за предметами, размер которых меньше, чем длина этой волны (в случае частицы — волны Де Бройля). Поэтому, к примеру, простой оптический микроскоп невозможно использовать для исследования объектов размером меньше микрометра: свет просто «не заметит» такой предмет, так как наименьшая длина волны видимого излучения — порядка 400 нанометров.

Поэтому для наблюдения за микроскопическими объектами или процессами ученые вынуждены уменьшать длину волны используемого для этого излучения. Один из способов добиться этого — использовать быстрые электроны, которые интенсивно излучают фотоны при ускоренном движении. Именно на этом принципе основаны лазеры на свободных электронах: в них электроны сначала ускоряют до высоких энергий, а потом пропускают через ондулятор — набор магнитов, который заставляет электроны двигаться по синусоидальной траектории. В процессе такого движения электроны производят излучение, длина волны которого пропорциональна пространственному периоду их колебаний и обратно пропорциональна квадрату их энергии.

Таким образом ученые могут получать короткие (вплоть до фемтосекунд) импульсы мощного когерентного рентгеновского излучения. Такие характеристики позволяют использовать их для изучения самых разных объектов и процессов на очень малых пространственных и временных масштабах в рамках химии, структурной биологии и других областей. Но главным препятствием для повсеместного использования лазеров на свободных электронах остается их дороговизна и размер. Для того чтобы разогнать электроны до необходимых нескольких гигаэлектронвольт, сейчас ученые используют огромные ускорители на основе радиочастотных резонаторов. Большой размер таких установок обусловлен тем, что у них есть максимальный темп ускорения частиц (десятки мегаэлектронвольт на метр), превзойти который нельзя из-за недостижимости больших значений ускоряющих полей. Кроме того, для получения мощного когерентного излучения необходимы пучки электронов, разброс энергий и импульсов в которых не будет превышать десятые доли процента, что также накладывает ограничения на ускоряющие элементы.

Теперь же Вентао Ван (Wentao Wang) и Ке Фэн (Ke Feng) вместе с коллегами из Шанхайского института оптики и точной механики впервые успешно решили проблемы дороговизны и больших размеров нынешних лазеров на свободных электронах с помощью плазменного ускорителя. Такой вид ускорителей электронов использует колебания зарядов в плазме для создания сверхвысоких градиентов полей, при попадании в которые электрон очень быстро ускоряется. Причем возникающие в плазме поля на порядки превышают те, которых удается достичь в радиочастотных резонаторах. Это значит, что такие ускорители могут обеспечить тот же рост энергии электронов на существенно меньших расстояниях. Плазменным ускорителям пророчат большое будущее, однако пока что технология находится на начальной стадии развития: физикам сложно получить пучки одновременно высокого качества и большой энергии, и при этом делать это настолько же стабильно, как в случае стандартных радиочастотных установках. Именно качество пучка до сих пор мешало использованию плазменных ускорителей в лазерах на свободных электронах.

Китайским ученым, однако, удалось справиться с описанными препятствиями. Плазменные волны в трубке шириной 6 миллиметров с непрерывно текущим гелием они возбуждали с помощью мощного лазера, сфокусированного параболическим зеркалом. В созданных таким образом градиентах электрического поля плазменные электроны ускорялись до энергии вплоть до 490 мегаэлектронвольт, причем разброс энергий в пучке составлял всего 0.5 процента. Такая процедура повторялась с частотой в 1-5 герц, причем изменения максимальной энергии пучка не превышали 3 процента, а поперечные размеры пучка перед входом в ондулятор оставались в пределах 1 миллиметра.

a – схема установки; b – распределение ускоренных электронов по энергиям; c,d – поперечные профили пучков электронов до и после ондулятора.

Wentao Wang et al. / Nature, 2021

При попадании в ондулятор электроны излучали, и под действием собственного излучения пучок разделялся на несколько микропучков с продольным размером порядка длины волны излучения. Это приводило к тому, что излучение от каждого соседнего электрона

в микропучке суммировалось друг с другом, и в результате на последних магнитах ондулятора оно усиливалось в 100 раз. На выходе ученые получали импульсы монохроматического когерентного излучения с длиной волны в 27 нанометров. В каждом импульсе ученые насчитывали вплоть до десяти миллиардов фотонов, а энергия такого импульса достигала 150 наноджоулей. Также физики исследовали, как именно растет энергия излучения в процессе продвижения пучка электронов по ондулятору.

a – зависимость энергии излучения от длины, пройденной пучком электронов в ондуляторе; b,c – поперечные пространственные распределения фотонов в указанных точках.

Wentao Wang et al. / Nature, 2021

Ученые отмечают важность качества пучка электронов и его аккуратной транспортировки в ондулятор, которой им не удавалось добиться для каждого запуска установки. Но, по мнению физиков, с помощью стабилизация лазера, скорости движения гелия в трубке, а также лучшего подбора других экспериментальных параметров установки можно добиться стабильного ускорения электронов. Развитие лазеров на свободных электронах с плазменными ускорителями позволит создавать компактные (размер описанной установки не превышал 12 метров) и недорогие (по оценке авторов, порядка 5 миллионов долларов) установки, и тем самым расширить их применение.

Однако пока что ученым приходится довольствоваться теми громадными и дорогими установками, которые есть у них в доступе. Примером может служить лазер на свободных электронах XFEL размеров в 3,4 километра, о первых результатах работы которого мы уже рассказывали. Но и плазменные ускорители постоянно развиваются: недавно физики поставили рекорд по времени непрерывной работы такой установки.

Никита Козырев

Источник: https://nplus1.ru/news/2021/07/23/plasma-fel

Рекомендуем для Вас


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top